DE102014215243A1

DE102014215243A1 - Robuste Totzeit- und Dynamikkompensation für Trajektorienfolgeregelung

Info

Publication number: DE102014215243A1
Application number: DE102014215243.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Rathgeber; Franz Winkler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-08-02
Also published as: DE102014215243B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Querführungsregelungsstruktur mit einer oder mehreren Regelgrößen zur Erzeugung einer Lenkvorgabe einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs. Es wird eine Vorrichtung zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Vorgabeeinheit, die eingerichtet ist, eine Fahraufgabe bzgl. der Querführung des Fahrzeugs vorzugeben und die Fahraufgabe um eine Totzeit vorzuverlegen, um eine zeitlich vorverlegte Fahraufgabe zu ermitteln. Desweiteren umfasst die Vorrichtung einen Trajektorienplaner, der eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der zeitlich vorverlegten Fahraufgabe, ein oder mehrere Soll-Trajekterien-Größen für eine Trajektorie des Fahrzeugs zu ermitteln. Außerdem umfasst die Vorrichtung einen Regler, der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen für die Trajektorie des Fahrzeugs, eine Lenkvorgabe für eine Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs als Reglerausgangsgröße zu bestimmen. Dabei ist die Totzeit von einer zeitlichen Verzögerung bei der Umsetzung der Lenkvorgabe durch die Hilfskraftlenkung und/oder durch eine Buskommunikation abhängig.

Description

Die Erfindung betrifft eine Querführungsregelungsstruktur mit einer oder mehreren Regelgrößen zur Erzeugung einer Lenkvorgabe einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs.
Es ist eine Vielzahl von Fahrassistenzfunktionen bekannt, die auf die Querführung des Fahrzeugs einwirken. Beispielsweise sind Parkassistenz-Systeme mit zumindest automatischer Querführung bekannt, bei denen die Lenkung vom Fahrzeug übernommen wird, ohne dass der Fahrer Lenkvorgaben gibt; optional kann auch die Längsführung vom Fahrzeug automatisch durchgeführt werden. Bei einem Spurhalteassistent wird der Fahrer durch eine Querführungsunterstützung darin unterstützt, das Fahrzeug in der erkannten Fahrspur zu halten. Bei einem Seitenkollisionswarnsystem wird der Fahrer bei kritischer Annäherung an Objekte durch Lenkradvibrationen oder einen Lenkimpuls gewarnt, außerdem kann die ausweichende Lenkbewegung des Fahrers durch das System aktiv unterstützt werden.
Der Eingriff in die Querführung oder die gar automatische Querführung ohne Lenktätigkeit des Fahrers wird über eine Hilfskraftlenkung bewirkt, die über eine entsprechende Lenkvorgabe angesteuert wird. Bei der Hilfskraftlenkung handelt es sich beispielsweise um eine elektromotorische Hilfskraftlenkung (EPS – electric power steering), bei der ein elektrischer Motor ein Lenkmoment erzeugt, welches die Lenkbewegung des Fahrers unterstützt oder statt der Lenkbewegung des Fahrers wirkt. Hierbei sind verschiedene Bauformen bekannt, bei denen der Elektromotor an unterschiedlichen Positionen des Lenksystems angreift (z. B. C-EPS, P-EPS und R-EPS). Alternativ wäre auch eine elektrohydraulische Hilfskraftlenkung denkbar. Es ist auch denkbar, dass es sich bei der Hilfskraftlenkung um eine Steer-By-Wire-Lenkung handelt, bei der keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und den gelenkten Rädern besteht.
Zur Querführung wird typischerweise eine entsprechende Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung von einer Querführungsregelungsstruktur erzeugt, die einen Regler oder mehrere kaskadierte Regler mit mehreren Regelgrößen umfasst. Bei einem Regler kann beispielsweise der Ist-Lenkwinkel vom Fahrzeug gemessen werden und mit einem Soll-Lenkwinkel (Lenkwinkelvorgabe) als Führungsgröße des Reglers verglichen werden, und die Stellgröße der Lenkvorgabe (beispielsweise ein Momentensignal für die elektromotorischen Hilfskraftlenkung) entsprechend vom Regler angepasst werden, so dass der Ist-Lenkwinkel dem Soll-Lenkwinkel entspricht.
Durch eine Querführungsregelungsstruktur können Störungen wie beispielsweise Seitenkräfte durch seitlich abschüssige Fahrbahnen oder Seitenwinde kompensiert werden. Darüber hinaus sind viele Fahrzeugeigenschaften nicht genau bekannt, die Einfluss auf das Lenkverhalten haben, beispielsweise das Fahrzeuggewicht bei schwankender Beladung oder variierende Lenkungsparameter wie Reibung oder Dämpfung. Mittels der Querführungsregelungsstruktur werden Abweichungen der Regelgrößen aufgrund dieser Unsicherheiten ausgeregelt.
Bei der Regelung der Querführung eines Fahrzeugs können Fahrzeugmodelle verwendet werden, durch die ein Verhalten des Fahrzeugs in approximativer Weise beschrieben wird. Die Regelung der Querführung umfasst dabei typischerweise das Invertieren derartiger Fahrzeugmodelle, um zu ermitteln, welche Vorgaben an das Fahrzeug gemacht werden müssen, um ein gewünschtes Verhalten des Fahrzeugs (z. B. eine Fahrt entlang einer gewünschten Trajektorie) zu bewirken. Dies kann im Rahmen einer Vorsteuerung erfolgen. Dabei ist es wünschenswert, dass die Invertierung des Fahrzeugmodells gut applizierbar und/oder einstellbar ist.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine einstellbare und ressourceneffiziente Regelung der Querführung eines Fahrzeugs bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs (insbesondere eines Straßen-Kraftfahrzeugs) beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Vorgabeeinheit (z. B. eine Fahrerassistenzeinheit), die eingerichtet ist, eine Fahraufgabe bzgl. der Querführung des Fahrzeugs vorzugeben. Insbesondere kann die Fahrerassistenzeinheit eingerichtet sein, ein oder mehrere Fahrerassistenzfunktionen bereitzustellen. Eine beispielhafte Fahrerassistenzfunktion ist ein Ausweichassistent, bei dem der Fahrer des Fahrzeugs dabei unterstützt wird, einem Hindernis auf einer aktuellen Trajektorie des Fahrzeugs auszuweichen. Im Rahmen einer derartigen Fahrerassistenzfunktion muss das Fahrzeug typischerweise quer geführt werden, um dem Hindernis auszuweichen. Die Fahraufgabe kann z. B. darin bestehen, eine Ausweichtrajektorie bzgl. des Hindernisses zu ermitteln, und den Fahrer dabei zu unterstützen (z. B. anhand von automatischen Eingriffen in die Querführung durch die Hilfskraftlenkung), entlang der ermittelten Ausweichtrajektorie zu fahren. Die Fahraufgabe kann zu diesem Zweck Informationen bzgl. der Position des Hindernisses relativ zu der Position des Fahrzeugs umfassen. Diese Informationen können z. B. auf Basis von Umfelddaten von ein oder mehreren Umfeldsensoren (z. B. einer Kamera, eines Laserscanners, eines Radarsensors, eines Lidarsensors, etc.) des Fahrzeugs ermittelt werden.
Die Vorgabeeinheit (z. B. die Fahrerassistenzeinheit) kann eingerichtet sein, die Fahraufgabe um eine Totzeit d vorzuverlegen, um eine zeitlich vorverlegte Fahraufgabe zu ermitteln. Mit anderen Worten, die Vorgabeeinheit (z. B. die Fahrerassistenzeinheit) kann eine (vordefinierte) Totzeit d berücksichtigen, und die Fahraufgabe derart ermitteln, als müsste die Fahraufgabe um die Totzeit d früher von dem Fahrzeug umgesetzt werden. Beispielsweise kann dazu ein anhand der Umfelddaten erkanntes Hindernis entsprechend der Totzeit d in Richtung des Fahrzeugs verlegt werden, um zu bewirken, dass das Fahrzeug eine (vorverlagerte) Ausweichtrajektorie ermittelt. Wie im weiteren Verlauf dargelegt, kann anhand der Totzeit d ein Totzeitverhalten des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Durch das Vorverlegen der Fahraufgabe kann somit in effizienter und stabiler Weise das Totzeitverhalten des Fahrzeugs bei der Regelung der Querführung des Fahrzeugs berücksichtigt werden.
Die Vorgabeeinheit (z. B. die Fahrerassistenzeinheit) kann somit eingerichtet sein, auf Basis von Umfelddaten des Fahrzeugs eine um die Totzeit d zeitlich vorverlegte Fahraufgabe zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann eine (ggf. vordefinierte) Zieltrajektorie für das Fahrzeug gemäß der Totzeit d verändert (z. B. vorverlegt) werden, um die zeitlich vorverlegte Fahraufgabe zu ermitteln.
Die Vorrichtung umfasst desweiteren einen Trajektorienplaner, der eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der zeitlich vorverlegten Fahraufgabe, ein oder mehrere Soll-Trajektorien-Größen für eine Trajektorie τ des Fahrzeugs zu ermitteln. Die ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen können z. B. den Verlauf einer gewünschten Trajektorie τ relativ zu einem Straßenverlauf beschreiben. Die ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen können z. B. eine Soll-Krümmung κ_ref (ggf. relativ zu der Krümmung des Straßenverlaufs), einen Soll-Kurswinkel ψ_ref (ggf. relativ zu dem Straßenverlauf) und/oder eine Soll-Position y_ref (ggf. relativ zu der Straße auf der das Fahrzeug fährt) umfassen. Aufgrund der zeitlich vorverlegten Fahraufgabe wird typischerweise durch den Trajektorienplaner auch eine zeitlich vorverlegte Trajektorie τ ermittelt. Der Trajektorienplaner kann somit eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der um die Totzeit d zeitlich vorverlegten Fahraufgabe ein oder mehrere zeitlich vorverlegte Soll-Trajektorien-Größen für eine zeitlich vorverlegte Trajektorie des Fahrzeugs zu ermitteln. Wenn ohne Berücksichtigung der Totzeit d eine Trajektorie τ(t) ermittelt worden wäre, so kann bei Berücksichtigung der Totzeit d eine zeitlich vorverlegte Trajektorie τ(t + d) ermittelt werden. Desweiteren können anstelle der Soll-Krümmung κ_ref(t), des Soll-Kurswinkels ψ_ref(t) und/oder der Soll-Position y_ref(t) zeitlich vorverlegte Soll-Trajektorien-Größen, z. B. eine zeitlich vorverlegte Soll-Krümmung κ_ref(t + d), ein zeitlich vorverlegter Soll-Kurswinkel ψ_ref(t + d) und/oder eine zeitlich vorverlegte Soll-Position y_ref(t + d) ermittelt werden.
Desweiteren umfasst die Vorrichtung einen Regler, der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen für die Trajektorie des Fahrzeugs, eine Lenkvorgabe M_M für eine Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs als Reglerausgangsgröße zu bestimmen. Insbesondere kann der Regler eingerichtet sein, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen, die Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs zu bestimmen.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Totzeit d ein Totzeitverhalten des Fahrzeugs beschreiben. Insbesondere kann eine Regelstrecke der Querführung des Fahrzeugs durch ein Fahrzeugmodell beschrieben werden, welches eine Totzeit d umfasst. Diese Totzeit d kann Verzögerungen auf Bussystemen und/oder Verzögerungen durch Steuergeräte des Fahrzeugs umfassen. Insbesondere kann die Totzeit d von einer zeitlichen Verzögerung bei der Umsetzung der Lenkvorgabe durch die Hilfskraftlenkung abhängen. Die Berücksichtigung der Totzeit d des Fahrzeugmodells bei der Ermittlung der Fahraufgabe und bei der Ermittlung der Trajektorie des Fahrzeugs ist vorteilhaft, da so ganz oder zumindest weitestgehend auf die Berücksichtigung der Totzeit innerhalb des Reglers (insbesondere innerhalb einer Vorsteuerung des Reglers) verzichtet werden kann.
So kann eine stabile und einstellbare Regelung der Querführung des Fahrzeugs bereitgestellt werden, welche eine erhöhte Dynamik aufweist.
Der Regler kann eine Vielzahl von Regelstufen umfassen. Insbesondere kann der Regler einen Bahnführungsregler umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen eine zeitlich vorgelegte Krümmungsvorgabe κ_d(t + d) oder Lenkwinkelvorgabe δ_d(t + d) als Reglerausgangsgröße für einen nachgelagerten Fahrzeugführungsregler zu bestimmen. Desweiteren kann der Regler den Fahrzeugführungsregler umfassen, der eingerichtet ist, anhand der zeitlich vorgelegten Krümmungsvorgabe κ_d(t + d) bzw. Lenkwinkelvorgabe δ_d(t + d) die Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs als Reglerausgangsgröße zu bestimmen. Die Verwendung von einer Vielzahl von Regelstufen und insbesondere die Aufteilung in einen Regler für die Bahnführung und einen Regler für die Fahrzeugführung ermöglichen es, eine ermittelte Trajektorie in effizienter Weise (in der Bahnführungsebene) nachzuführen. Insbesondere kann innerhalb der Bahnführungsebene das Fahrzeug durch ein relativ einfaches Modell mit einer relativ geringen Anzahl von Modellparametern beschrieben werden, wodurch eine recheneffiziente und stabile Nachführung einer gewünschten Trajektorie ermöglicht wird.
Der Regler (insbesondere der Bahnführungsregler) kann eine Vorsteuerung umfassen, die eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen entsprechende ein oder mehrere zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Trajektorien-Größen zu ermitteln. Dabei kann die Vorsteuerung ein Modell bzgl. des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs umfassen bzw. verwenden. Aufgrund der Berücksichtigung der Totzeit d bei der Ermittlung der Fahraufgabe bzw. bei der Ermittlung der Trajektorie, kann die Totzeit d bei der Vorsteuerung unberücksichtigt bleiben. Insbesondere kann die Vorsteuerung ein Modell verwenden, welches unabhängig von dem Totzeitverhalten des Fahrzeugs ist und/oder welches keine Totzeit umfasst. So kann eine stabile Vorsteuerung bereitgestellt werden. Durch die in diesem Dokument beschriebene Berücksichtigung der Totzeit kann die Regelung mit einer erhöhten Dynamik ausgelegt werden.
Die von der Vorsteuerung ermittelten ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen (insbesondere die Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d)) entsprechen in einem idealisierten Fall (bei dem das von der Vorsteuerung verwendete Modell exakt das Verhalten des Fahrzeugs wiedergibt und/oder bei dem keine äußeren Einflüsse wie Wind oder Gefälle auf das Fahrzeug einwirken) typischerweise ein oder mehreren vom Fahrzeug realisierten zeitlich vorverlegten Ist-Trajektorien-Größen (beispielsweise einer Ist-Krümmung κ_r(t)). Mit anderen Worten, in einem idealisierten Fall würde die Vorgabe der Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d) dazu führen, dass das Fahrzeug die vorgegebenen Soll-Trajektorien-Größen exakt umsetzt. Da dies jedoch in der Realität nicht der Fall sein wird, wird durch den Regler typischerweise ein Regelfehler berücksichtigt.
Die von dem Regler ermittelte Lenkvorgabe kann von den ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen (insbesondere von der Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d)) abhängen. Desweiteren kann die von dem Regler ermittelte Lenkvorgabe von einem Regelfehler (z. B. von einem Krümmungs-Regelfehler κ_tc) abhängen.
Der Regler (insbesondere der Bahnführungsregler) kann einen Trajektorien-Folge-Regler umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (insbesondere auf Basis der Soll-Krümmung κ_ref(t + d), auf Basis des Soll-Kurswinkels ψ_ref(t + d) und/oder auf Basis der Soll-Position y_ref(t + d)) und auf Basis von ein oder mehreren (vom Fahrzeug ermittelten) Ist-Trajektorien-Größen (insbesondere auf Basis einer Ist-Krümmung κ_r, auf Basis eines Ist-Kurswinkels ψ_rm und/oder auf Basis einer Ist-Position y_r) einen Regelfehler (z. B. einen Krümmungs-Regelfehler κ_tc) zu ermitteln. Zu diesem Zweck können die zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen in einer Totzeitberücksichtigungseinheit gemäß der Totzeit verzögert werden, um (zeitlich kohärente) Soll-Trajektorien-Größen in kohärenter Weise mit Ist-Trajektorien-Größen zu vergleichen. Durch die Ermittlung eines Regelfehlers können Ungenauigkeiten bei dem in der Vorsteuerung verwendeten Modell und/oder äußere Einflüsse berücksichtigt werden. Die Lenkvorgabe kann dann von den um den Regelfehler korrigierten ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen abhängen.
Der Regler kann eine Totzeitberücksichtigungseinheit umfassen, die eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen und auf Basis der Totzeit d, ein oder mehrere (zeitlich kohärente) Soll-Trajekterien-Größen (insbesondere eine Soll-Krümmmumg κ_ref(t), einen Soll-Kurswinkel ψ_ref(t), und/oder eine Soll-Position y_ref(t)) zu ermitteln. Der Trajektorien-Folge-Regler kann dann eingerichtet sein, den Regelfehler auf Basis der ein oder mehreren (zeitlich kohärenten) Soll-Trajektorien-Größen zu ermitteln. Somit kann gewährleistet werden, dass der Regelfehler auf Basis von Soll-Größen und Ist-Größen berechnet wird, die zeitlich zueinander passen. Mit anderen Worten, somit kann die Stabilität der Regelung erhöht werden.
Der Trajektorien-Folge-Regler kann eingerichtet sein, für jede der ein oder mehreren Trajektorien-Größen, eine Differenz aus der jeweiligen (zeitlich kohärenten) Soll-Trajektorien-Größe und der jeweiligen Ist-Trajektorien-Größe zu ermitteln. Der Regelfehler kann dann als gewichtete Summe aus den ermittelten ein oder mehreren Differenzen bestimmt werden. Durch den Trajektorien-Folge-Regler kann somit ein einziger Regelfehler auf Basis einer Vielzahl von Trajektorien-Größen ermittelt werden. Der Regelfehler kann dazu verwendet werden, eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung, z. B. die Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d) zu korrigieren.
Wie bereits oben dargelegt können die ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen eine zeitlich vorverlegte Soll-Krümmung κ_ref(t + d) umfassen. Die ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen können eine zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d) umfassen. Die Vorsteuerung kann ein vereinfachtes Modell bzgl. des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs umfassen bzw. verwenden, welches es der Vorsteuerung ermöglicht, aus der zeitlich vorverlegten Soll-Krümmung κ_ref(t + d) die zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d) (und ggf. keine weiteren Vorsteuer-Trajektorien-Größen) zu bestimmen. Insbesondere kann ein vereinfachtes Modell verwendet werden, welches nur die Ermittlung der Vorsteuer-Krümmung ermöglicht.
Das vereinfachte Modell kann z. B. ein PDT2 Modell umfassen. Die Vorsteuerung kann eingerichtet sein, eine Approximation des invertierten Fahrzeugmodells zu ermitteln. Mit anderen Worten, die Vorsteuerung kann eingerichtet sein, ein dem vereinfachten Modell entsprechendes dynamisches Verhalten des Fahrzeugs näherungsweise zu kompensieren. Durch die Verwendung eines vereinfachten Modells und insbesondere durch die Verwendung eines Modells ohne Totzeit kann die Stabilität des Invertierens erhöht werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Totzeit des Systems an anderer Stelle berücksichtigt wird (insbesondere in der Totzeitberücksichtigungseinheit).
Der Trajektorien-Folge-Regler kann eingerichtet sein, auf Basis von mehreren Soll-Trajektorien-Größen (nach Verzögerung in der Totzeitberücksichtigungseinheit) und auf Basis von entsprechenden mehreren Ist-Trajektorien-Größen einen Krümmungs-Regelfehler zu ermitteln (z. B. als gewichtete Summe). Der Krümmungs-Regelfehler kann auch als Anteil der Soll-Krümmung bzw. als Stellgröße betrachtet werden. Die Lenkvorgabe kann von der um den Krümmungs-Regelfehler korrigierten zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Krümmung abhängen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Kraftfahrzeug wie z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben. Das Fahrzeug umfasst eine Hilfskraftlenkung. Desweiteren umfasst das Fahrzeug die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur Regelung der Querführung. Die Vorrichtung ist eingerichtet, eine Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Fahraufgabe bzgl. der Querführung des Fahrzeugs und das Vorverlegen der Fahraufgabe um eine Totzeit d. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln von ein oder mehreren Soll-Trajektarien-Größen für eine Trajektorie des Fahrzeugs, in Abhängigkeit von der um die Totzeit d vorverlegten Fahraufgabe. Desweiteren umfasst das Verfahren das Bestimmen einer Lenkvorgabe für eine Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs auf Basis der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen für die Trajektorie des Fahrzeugs. Dabei ist die Totzeit d von einer zeitlichen Verzögerung bei der Umsetzung der Lenkvorgabe durch die Hilfskraftlenkung abhängig. Desweiteren kann die Totzeit d auch von anderen Aspekten, wie z. B. der Bus-Kommunikation abhängen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Querführungsregelungsstruktur;
2 die Position eines Fahrzeugs FZG relativ zum Verlauf einer geplanten Trajektorie τ und zum Straßenverlauf r;
3 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Bahnführungsreglers BFR;
4 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Vorrichtung zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs;
5 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugmodells; und
6 eine mathematische Darstellung der Berechnungen im Rahmen einer beispielhaften Vorsteuerung.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung von einem stabilen und recheneffizienten Regler für die Querführung eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 eine beispielhafte Querführungsregelungsstruktur für ein oder mehrere Fahrerassistenzfunktionen FAS1, FAS2, FAS3. Eine Fahrerassistenzfunktion kann durch eine Fahrerassistenzeinheit FAS bereitgestellt werden (s. 4).
In 1 wird eine hierarchische Reglerstruktur mit einer Trajektorienplanung TPL, einem Bahnführungsregler BFR und einem Fahrzeugführungsregler FFR vorgesehen. Innerhalb der elektromechanischen Hilfskraftlenkung EPS sind vorzugsweise ein oder mehrere Regler (nicht dargestellt) vorgesehen, die dem Fahrzeugführungsregler FFR nachgelagert sind. Die Aufgabe der unterlagerten EPS-Regler ist es beispielsweise, das Motormoment für den Elektromotor der elektromechanischen Hilfskraftlenkung EPS zu regeln und dem Fahrer abhängig von dessen Lenkeingriff ein Unterstützungsmoment zu geben, den Lenkwinkel zu dämpfen und/oder einen aktiven Rücklauf zu erzeugen.
Jede der Fahrerassstenzfunktionen FAS1, FAS2 und FAS3 kann ihren eigenen Einstellparameterwert G für die stationäre Genauigkeit von Regelgrößen und ihren eigenen Einstellparameterwert S für die Steifigkeit der Lenkung vorgeben. Über ein Auswahlelement SEL1 kann der Einstellparameter G für die stationäre Genauigkeit und der Einstellparameter S für die Steifigkeit der aktiven Fahrassistenzfunktion ausgewählt werden. Herbei kann vereinfacht angenommen werden, dass nur eine der Mehrzahl von Fahrassistenzfunktionen FAS1, FAS2, FAS3 zu einem Zeitpunkt aktiv sein kann. Ferner kann die jeweils aktive Fahrassistenzfunktion eine Fahraufgabe FA vorgeben, die über ein Auswahlelement SEL2 an eine Trajektorienplanung TPL übergeben wird. Die Trajektorienplanung dient auch der globalen Steuerung und nimmt die Werte der Einstellparameter G, S entgegen. In der Trajektorienplanung TPL wird eine Fahrtrajektorie geplant und die Vorgabe für die geplante Trajektorie an einen Bahnführungsregler BFR übergeben. Die Trajektorienvorgabe umfasst z. B. den Soll-Kurswinkel ψ_ref, die laterale Soll-Position y_ref und die Soll-Krümmung κ_ref der Trajektorie.
In 2 sind die Größen ψ_ref und y_ref anhand einer beispielhaften geplanten Trajektorie τ dargestellt, auf der sich das Fahrzeug FZG bewegen soll. Die Kurve r entspricht dabei dem Straßenverlauf, Der Soll-Kurswinkel ψ_ref beschreibt den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung entlang der geplanten Trajektorie τ und der Tangente an die Straße r an dem jeweiligen Punkt P der Trajektorie τ. Die laterale Soll-Position κ_ref entspricht dem Abstand der Trajektorie τ an denn jeweiligen Punkt P zur Straße r (wobei der Abstand senkrecht zu der Straße r gemessen wird). Die Krümmung κ_ref der Trajektorie τ entspricht der Krümmung der Linie der Trajektorie τ an dem jeweiligen Punkt P.
Der Bahnführungsregler BFR dient dazu, anhand der Trajektorienvorgabe ψ_ref, y_ref, κ_ref eine Krümmungsvorgabe κ_d für einen nachgeschalteten Fahrzeugführungsregler FFR zu berechnen. Die Krümmungsvorgabe κ_d entspricht der Krümmung der Linie l, auf der sich das Fahrzeug FZG bewegen soll, um bei einer Abweichung von der geplanten Trajektorie τ wieder auf die geplante Trajektorie τ zurückzufinden (s. 2). Somit liefert die Krümmungsvorgabe κ_d Informationen darüber, wie das Fahrzeug FZG von der aktuellen Position zurück auf die geplante Trajektorie τ gebracht werden kann.
Der Fahrzeugführungsregler FFR dient dazu, anhand der Krümmungsvorgabe κ_d ein Motormoment M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS zu bestimmen (s. 1). Bei dem Motormoment M_M handelt es sich vorzugsweise nicht um den Absolutwert des tatsächlich einzustellenden Motormoments eines Elektromotors EM der Hilfskraftlenkung EPS, sondern um einen Offsetwert, um den eine von dem Handmoment M_H,m (welches von dem Fahrer des Fahrzeugs FZG aufgebracht wird) und gegebenenfalls von anderen Einflussgrößen (beispielsweise Dämpfung, Rücklauf) abhängige Vorgabe M_M2 für das Motormoment verschoben wird. Wenn die Vorgabe M_M2 gleich null ist, entspricht das Motormoment M_M des Fahrzeugführungsreglers FFR dem Soll-Moment M_S für den Elektromotor EM.
Die Hilfskraftlenkung EPS umfasst typischerweise einen Momentenregelkreis mit einem Momentenregler MR zur Einstellung des Motormoments des Elektromotors EM. Der Sollwert M_S für das Motormoment ergibt sich aus dem Momentenwert M_M2 und dem vom Fahrzeugführungsregler FFR gelieferten Offsetwert M_M. Aus dem gemessenen Handmoment M_H,m wird über einen Lenkunterstützungsblock LU ein Momentenwert berechnet, der mit einem Momentenwert einer oder mehrerer geregelten Lenkungsfunktionen LFR überlagert wird. Ferner kann hierzu noch ein Momentenwert einer oder mehrerer gesteuerter Lenkungsfunktionen LFF hinzuaddiert werden.
Der Fahrzeugführungsregler FFR umfasst einen Block UR, in dem die Krümmungsvorgabe κ_d in eine Lenkwinkelvorgabe δ_d umgerechnet wird (s. 1). In dem Block UR werden charakteristische Fahrzeugparameter zur Umrechnung genutzt, beispielsweise die charakteristische Geschwindigkeit und der Radstand. Optional kann in dem Block UR basierend auf der Krümmungsvorgabe κ_d auch eine Lenkwinkelgeschwindigkeitsvorgabe δ_d = dδ_d/dt berechnet werden. Die Lenkwinkelvorgabe und gegebenenfalls auch die Lenkwinkelgeschwindigkeitsvorgabe δ ._d = dδ_d/dt dienen einem Lenkwinkelregler LWR als Führungsgrößen, der basierend hierauf ein Motormoment M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS berechnet.
Die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS umfasst wiederum vorzugsweise ein oder mehrere unterlagerte Regler, wie bereits vorstehend erläutert.
Der Fahrer greift gegebenenfalls über ein zusätzliches Handmoment M_H, welches dieser auf das Lenkrad ausübt, in die Lenkung des Fahrzeugs FZG ein. Außerdem wirken externe Störungen Z, wie beispielsweise Seitenkräfte durch seitlich abschüssige Fahrbahnen oder Seitenwinde. Gemessene Ist-Bewegungsgrößen des Fahrzeugs FZG, insbesondere die Ist-Werte der Regelgrößen werden an den Bahnführungsregler BFR und den Fahrzeugführungsregler FFR zurückgekoppelt.
Durch die Querführungsregelungsstruktur mit einem Bahnführungsregler BFR, der eine Krümmungsvorgabe κ_d bestimmt, die als Steuergröße für den nachgeschalteten Fahrzeugführungsregler FFR dient, kann der Bahnführungsregler BFR ggf. unabhängig von den Fahrzeugparametern ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass der Bahnführungsregler für eine Vielzahl unterschiedlicher und unterschiedlicher Fahrzeugkonfigurationen verwendbar ist.
Die in 1 dargestellte Querführungsregelung weist somit eine Aufteilung in einen Bahnführungsregler BFR, der (auf der Bahnführungsebene) eine Krümmungsvorgabe κ_d ermittelt und regelt, durch die das Fahrzeug auf die geplante Trajektorie τ gebracht werden kann, und in einen Fahrzeugführungsregler FFR, der in Abhängigkeit von der Krümmungsvorgabe κ_d (auf der Fahrzeugführungsebene) einen Offsetwert M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung BPS ermittelt und regelt, durch den ein Lenkmoment bewirkt wird, welches das Fahrzeug FZG auf die geplante Trajektorie τ bringt, auf. Diese Aufteilung ermöglicht es, das Fahrzeug FZG innerhalb des Bahnführungsreglers BFR durch ein relativ einfaches Modell (z. B. durch ein PDT2-Modell mit einer Totzeit) zu beschreiben.
Beispielsweise ist der Bahnführungsregler BFR in einem ersten Steuergerät integriert und der Fahrzeugführungsregler FFR ist in einem zweiten Steuergerät integriert, wobei das erste und das zweite Steuergerät miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über einen oder mehrere vernetzte Fahrzeugbusse. Der Bahnführungsregler BFR in dem ersten Steuergerät kann dann beispielsweise mit geringfügiger Anpassung einer geringen Anzahl von Modellparametern bei verschiedenen Fahrzeugkonfigurationen des gleichen Fahrzeugmodells verwendet werden. Bei dem ersten Steuergerät handelt es sich beispielsweise um das Steuergerät, in dem auch die Fahrerassistenzfunktionen FAST, FAS2, FAS3, die die Querführungsregelungsstruktur nutzen, integriert sind.
Die Werte der Einstellparameter G, S für die stationäre Genauigkeit bzw. Steifigkeit können von der Trajektorienplanung TPL an den Bahnführungsregler BFR übergeben werden. Der Bahnführungsregler BFR leitet diese Werte an den Fahrzeugführungsregler FFR weiter. Bei einer alternativen Implementierung kann vorgesehen sein, dass im Bahnführungsregler BFR basierend auf den Einstellparametern G, S modifizierte Parameterwerte G', S' für die stationäre Genauigkeit bzw. Steifigkeit bestimmt werden und diese modifizierten Werte G', S' an den Fahrzeugführungsregler FFR zur Einstellung des Fahrzeugführungsreglers FFR übergeben werden. Alternativ können die Parameterwerte G, S für den Bahnführungsregler BFR und/oder den Fahrzeugführungsregler FFR fest vorgegeben werden.
In 3 ist eine beispielhafte Implementierung des Bahnführungsreglers BFR dargestellt. Der Bahnführungsregler BFR umfasst eine Vorsteuerung VS und einen Trajektorien-Folge-Regler TFR.
Der Trajektorien-Folge-Regler TFR kann als Führungsgrößen sowohl den Soll-Kurswinkel ψ_ref der Trajektorie, die Soll-Krümmung κ_ref als auch die laterale Soll-Position y_ref der Trajektorie auswerten, und mit dem Ist-Kurswinkel ψ_rm, der Ist-Krümmung κ_r und der lateralen Ist-Position y_r vergleichen. Der Reglerkern TC des Trajektorien-Folge-Reglers TFR multipliziert den Regelfehler Δψ im Kurswinkel mit einem Faktor k₁, multipliziert den Regelfehler Δy in der lateralen Position mit einem Faktor k₂ und multipliziert den Regelfehler Δκ in der Krümmung mit einem Faktor k₃: κ_tc = k₁·Δψ + k₂·Δy + k₃·Δκ, um den Regelfehler κ_tc der Krümmungsvorgabe κ_d zu ermitteln.
Zur Berechnung des Regelfehlers Δy in der lateralen Position wird die laterale Soll-Position y_ref mit der über eine Kamera des Fahrzeugs FZG gemessenen tatsächlichen lateralen Position y_r verglichen (s. die tatsächliche laterale Position y_r in 2).
Mittels einer Kamera des Fahrzeugs FZG wird typischerweise nicht der tatsächliche Ist-Kurswinkel ψ_r der Ist-Trajektorie I relativ zu der Straße r (s. 2) bestimmt, sondern der Ist-Winkel ψ_rm zwischen der Tangente der Straße r und der Längsachse des Fahrzeugs FZG. Diese beiden Winkel unterscheiden sich um den Schwimmwinkel β.
Daher kann ein Schwimmwinkel-Schätzer SWS zur Bestimmung einer Schätzung β_obs für den Schwimmwinkel β vorgesehen werden, und der Trajektorien-Folge-Regler TFR ist eingerichtet, die gemessene Winkeldifferenz zwischen dem Soll-Kurswinkel ψ_ref und dem gemessenen Ist-Winkel ψ_rm um den geschätzten Schwimmwinkel β_obs zu korrigieren.
Ferner kann ein Störgrößenbeobachter DO1 zur Bestimmung eines Kompensationssignals κ_dob vorgesehen werden, um beispielsweise Seitenkraft-Störungen stationär zu kompensieren. Hierbei kann die Kompensation variabel in Abhängigkeit des Einstellparameters S für die Steifigkeit und/oder des Einstellparameters G für die stationäre Genauigkeit eingestellt werden. Der Einstellparameter G betrifft im Fall des Bahnführungsreglers BFR die stationäre Genauigkeit der im Bahnführungsregler BFR auf den Sollwert y_ref geregelten lateralen Position, die auf den Sollwert κ_ref geregelte Krümmung sowie indirekt die stationäre Genauigkeit des im BFR auf den Sollwert ψ_ref geregelten Kurswinkels.
Hierzu ist ein Skalierungsblock k (entspricht einem Dämpfungsblock) mit einer einstellbaren Verstärkung k vorgesehen (mit k vorzugsweise im Bereich von 0 bis 1). Der Skalierungsblock k bewirkt, dass nur der Anteil k der beobachteten Störung für das Kompensationssignal κ_dob verwendet wird, so dass die Kompensation einstellbar ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn – wie in 3 dargestellt – der Störgrößenbeobachter DO1 einen Begrenzer LIM mit einstellbarer Begrenzung umfasst, welcher eingerichtet ist, das Kompensationssignal für die Stellgröße auf die Begrenzung zu begrenzen, und die Begrenzung von der Steifigkeit S abhängig ist. Die Verstärkung k hängt vorzugsweise sowohl von den Werten für G und/oder S als auch von dem gemessenen Handmoment M_H,m ab.
Auf den Skalierungsblock k in 3 kann auch verzichtet werden und dieser durch eine Durchverbindung ersetzt werden; dann ist die Störungs-Kompensation nicht einstellbar und die stationäre Genauigkeit der oben genannten Größen maximal.
Auf Basis der Soll-Krümmung κ_ref kann in der Vorsteuerung VS eine Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff ermittelt werden. Dabei umfasst die Vorsteuerung VS eine Approximation eines inversen Modells des Fahrzeugs FZG, so dass die Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff die Krümmungsvorgabe angibt, die dazu führen sollte, dass das Fahrzeug FZG die gewünschte Soll-Krümmung κ_ref auf der Fahrbahn umsetzt. In einer idealisierten Welt würde somit die Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff der Krümmungsvorgabe κ_d für den Fahrzeugführungsregler FFR entsprechen. Typischerweise kann das in der Vorsteuerung VS verwendete (inverse) Modell jedoch nicht das tatsächliche Verhalten des Fahrzeugs FZG abbilden, so dass sich ein Krümmungs-Regelfehler κ_tc ergibt. Dieser Krümmungs-Regelfehler κ_tc kann noch durch das Kompensationssignal κ_dob korrigiert werden, wobei das Kompensationssignal κ_dob von außen einwirkende Seitenkraft-Störungen berücksichtigt, die nicht über das Fahrzeugmodell abgebildet werden können. Der korrigierte Krümmungs-Regelfehler wird dann mit der Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff kombiniert (z. B. addiert oder subtrahiert), um die Krümmungsvorgabe κ_d für den Fahrzeugführungsregler FFR bereitzustellen.
Wie bereits oben dargelegt, ermöglicht es die Aufteilung der Querführungsregelung in einen Bahnführungsregler BFR und einen Fahrzeugführungsregler FFR, ein relativ einfaches Modell des Fahrzeugs FZG innerhalb des Bahnführungsregler BFR zu verwenden. Insbesondere kann ein PT2 oder ein PDT2 Modell mit einer Totzeit verwendet werden, um das Fahrzeug FZG auf der Bahnführungsebene zu modellieren. Bei einem PT2 Modell ergibt sich z. B. für die Krümmungsvorgabe κ_d und die Ist-Krümmung κ_r die Differentialgleichung: T²κ .._r(t) + 2dTκ ._r(t) + κ_r(t) = Kκ_d(t), wobei K, K > 0, einen Verstärkungsfaktor, T, T > 0, eine Zeitkonstante und d, d > 0, eine Dämpfung des Modell angibt. Ein PDT2 Modell kann durch die Differentialgleichung: T²κ .._r(t) + 2dTκ ._r(t) + κ_r(t) = K₁κ_d(t) + T_νκ ._d(t) wiedergegeben werden, wobei K₁, ein Verstärkungsfaktorist. Die Modellparameter K₁, T_ν, T, d können für das jeweilige Fahrzeug FZG ermittelt und gespeichert werden.
5 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugmodell mit der Krümmungsvorgabe κ_d als Eingangsgröße und einem PDT2 Modell zur Ermittlung der Ist-Krümmung κ_r. Durch Integration in dem INT-Modul und unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit ν(t) des Fahrzeugs FZG kann der Ist-Kurswinkel ψ_r (oder der Headingwinkel) ermittelt werden. Durch eine weitere Integration in einem weiteren INT-Modul und unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit ν(t) des Fahrzeugs FZG kann die Ist-Position y_r (oder die Querablage) ermittelt werden.
Desweiteren umfasst das Fahrzeugmodell eine Totzeiteinheit TZ, welche eine Totzeit d des Fahrzeugs FZG berücksichtigt. Durch eine Totzeit d im Fahrzeugmodell können Verzögerungen im Fahrzeug FZG, z. B. Verzögerung bei der Übertragung von Steuer- und/oder Sensorsignalen über die Bussysteme des Fahrzeugs FZG und/oder Verzögerung bei der Verarbeitung von Daten (z. B. bei der Auswertung von Sensorsignalen) im Fahrzeug FZG berücksichtigt werden. Die Totzeit d kann für das Fahrzeug experimentell ermittelt werden (und ggf. adaptiv angepasst werden). Die Totzeit d hat zur Folge, dass die Krümmungsvorgabe κ_d(t) zum Zeitpunkt t erst mit einer zeitlichen Verzögerung von d in eine Ist-Krümmung κ_r(t – d), einen Ist-Kurswinkel ψ_r(t – d) und eine Ist-Position y_r(t – d) umgesetzt wird.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausschnitts der Querführungsregelung aus 1. Um zu gewährleisten, dass das Fahrzeug FZG in präziser Weise entlang der gewünschten Trajektorie τ geführt wird, sollte auch die Totzeit d des Fahrzeugs FZG auf der Bahnführungsebene bei der Ermittlung der Krümmungsvorgabe κ_d berücksichtigt werden. Eine Berücksichtigung der Totzeit d im Rahmen der Vorsteuerung VS ist typischerweise nicht möglich oder zumindest unerwünscht, da ein Modell mit Totzeit nicht in stabiler und robuster Weise invertiert werden kann. Desweiteren würde die Berücksichtigung der Totzeit im Modell die Auslegungsmöglichkeiten substantiell einschränken, und keinen Mehrwert liefern, da die Totzeit so nicht invertiert werden würde.
Es wird daher vorgeschlagen, die Totzeit d bereits bei der Ermittlung der Trajektorie τ durch den Trajektorienplaner TPL zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck kann eine Fahrerassistenzeinheit FAS dem Trajektorienplaner TPL eine Fahraufgabe FA(t + d) übermitteln bzw. auferlegen, die die Totzeit d des Fahrzeugs FZG berücksichtigt. Beispielsweise kann ein Ausweichassistent die Position eines auszuweichenden Objekts nach vorne verlegen (d. h. in Richtung des Fahrzeugs FZG), um die Totzeit d zu berücksichtigen. Der Trajektorienplaner TPL ermittelt dann eine Ausweichtrajektorie τ, unter der Annahme, dass sich das Objekt um einen von der Totzeit d abhängigen Betrag näher an dem Fahrzeug FZG befindet. Die örtliche Verschiebung des Objekts entspricht typischerweise über die Fahrzeuggeschwindigkeit ν einer Zeit, d. h. der Totzeit d. In analoger Weise kann auch durch andere Fahrerassistenzfunktionen die an den Trajektorienplaner TPL übermittelte Fahraufgabe FA zeitlich um die Totzeit d vorverlegt werden.
Der Trajektorienplaner TPL ermittelt basierend auf der zeitlich vorverlegten Fahraufgabe FA(t + d) eine zeitlich vorverlegte Trajektorie τ(t + d), und damit zeitlich vorverlegte Referenzgrößen, z. B. eine zeitlich vorverlegte Soll-Krümmung κ_ref(t + d) der Trajektorie, einen zeitlich vorverlegten Soll-Kurswinkel ψ_ref(t + d) der Trajektorie, und eine zeitlich vorverlegte laterale Soll-Position y_ref(t + d). Die zeitlich vorverlegte Soll-Krümmung κ_ref(t + d) kann in der Vorsteuerung VS verwendet werden. Desweiteren können die zeitlich vorverlegten Referenzgrößen um die Totzeit d verzögert werden, um Referenzgrößen zu ermitteln, welche die Totzeit berücksichtigen. Diese Referenzgrößen können an einen Regler weitergegeben werden und mit aktuellen Ist-Größen vergleichen werden. So kann erreicht werden, dass der Regler keine Totzeit wahrnimmt.
In der Vorsteuerung VS kann ein inverses Fahrzeugmodell dazu verwendet werden, um ein oder mehrere Vorsteuergrößen zu ermitteln. Dabei kann das komplette Fahrzeugmodell aus 5 (ohne Berücksichtigung des Totzeitmoduls TZ) invertiert werden, um ein oder mehrere (zeitlich vorverlegte) Vorsteuer-Trajektorien-Größen zu ermitteln. Beispielsweise könnten Vorsteuer-Trajektorien-Größen für jede Trajektorien-Größe des Modells ermittelt werden, d. h. für die Krümmung, für den Kurswinkel und für die Position. Diese Vorsteuer-Trajektorien-Größen könnten dann um einen Regelfehler korrigiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein Invertieren des gesamten Modells bzgl. aller Trajektorien-Größen nicht erforderlich ist. Vielmehr reicht es aus, wenn nur das Kernmodell (z. B. das PDT2 Modell) bzgl. der Trajektorien-Größe Krümmung κ invertiert wird. Dies ermöglicht eine vereinfachte und eine robustere Vorsteuerung VS.
6 zeigt ein beispielhaftes mathematisches Verfahren zum Invertieren des Modells im der Vorsteuerung VS. Insbesondere kann das Modell (z. B. das PDT2 Modell) durch in einem Zustandsraum durch ein System von Differentialgleichungen dargestellt werden. Ein Zustandsrückführungs-Regler R kann eine stabile Invertierung des Modells ermöglichen. Ein Filter F kann dazu verwendet werden, einen statischen Fehler zwischen dem Eingangssignal (d. h. der Soll-Krümmung κ_ref) und dem Ausgangssignal (d. h. der Vorsteuer-Krümmung κ_ff) der Vorsteuerung VS zu kompensieren. Das in 6 dargestellte Verfahren ermöglicht eine robuste und recheneffiziente Implementierung der Vorsteuerung VS.
Durch die Vorsteuerung VS kann somit unter Berücksichtigung des Modells bzgl. der dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs (ohne Totzeit TS) aus der zeitlich vorverlegten Soll-Krümmung κ_ff(t + d) der Trajektorie eine zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d) ermittelt werden. Diese Vorsteuer-Krümmung κ_ff(t + d) kann dann wie oben beschrieben mit dem in dem Trajektorien-Folge-Regler TFR ermittelten Krümmungs-Regelfehler κ_tc (und ggf. mit einem Kompensationssignal κ_dob) korrigiert werden, um die zeitlich vorverlegte Krümmungsvorgabe κ_d(t + d) zu ermitteln. Diese zeitlich vorverlegte Krümmungsvorgabe κ_d(t + d) kann dann an den Fahrzeugführungsregler FFR übergeben werden.
Das Fahrzeug FZG setzt die zeitlich vorverlegte Krümmungsvorgabe κ_d(t + d) in Ist-Zustandsgrößen des Fahrzeugs FZG um. Aufgrund der Totzeit d des Fahrzeugs FZG wird die zeitlich vorverlegte Krümmungsvorgabe κ_d(t + d) so umgesetzt, dass die erfassten Ist-Zustandsgrößen des Fahrzeugs FZG der tatsächlich gewünschten Trajektorie τ(t) (zum tatsächlich gewünschten Zeitpunkt t) entsprechen sollten (in einem idealisierten Fall).
Die durch den Fahrzeugführungsregler FFR bewirkten Ist-Trajektorien-Größen entsprechen den Ist-Trajektorien-Größen zu einem aktuellen Zeitpunkt t. Insbesondere bewirkt der Fahrzeugführungsregler FFR die gemessene Ist-Krümmung κ_r(t), den gemessenen Ist-Kurswinkel ψ_r(t) und die gemessene Ist-Position y_r(t), jeweils für den Zeitpunkt t. Die Ist-Trajektorien-Größen können durch ein oder mehrere Messeinheiten des Fahrzeugs erfasst werden, und für den Trajektorien-Folge-Regler TFR bereit gestellt werden. Um sicherzustellen, dass durch den Trajektorien-Folge-Regler TFR die gemessenen Ist-Trajektorien-Größen in kohärenter Weise mit den Soll-Trajektorien-Größen verglichen werden, und um so einen kohärenten Krümmungs-Regelfehler κ_tc ermitteln zu können, umfasst der Bahnführungsregler BFR eine Totzeitberücksichtigungseinheit TZ^–1, die eingerichtet ist, die durch die Trajektorienplanung TPL zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (insbesondere die zeitlich vorverlegte Soll-Krümmung κ_ref(t + d) der Trajektorie, den zeitlich vorverlegten Soll-Kurswinkel ψ_ref(t + d) der Trajektorie, und die zeitlich vorverlegte laterale Soll-Position y_ref(t + d)) auf Basis der Totzeit d zu verzögern, um zeitlich kohärente Soll-Trajektorien-Größen bereitzustellen. Dazu entsteht in einem Ausführungsbeispiel in der Totzeitberücksichtigungseinheit TZ^–1 die zeitlich kohärente Soll-Krümmung κ_ref(t) zum Zeitpunkt t aus der zeitlich vorverlegten Soll-Krümmung zum Zeitpunkt t, d. h. κ_ref(t + d). Dies kann in analoger weise für die anderen Soll-Trajektorien-Größen erfolgen.
Durch den in 4 dargestellten Bahnführungsregler BFR wird es somit möglich in robuster und präziser Weise die Totzeit eines Fahrzeugs FZG bei der Trajektorienfolgeregelung zu berücksichtigen. Insbesondere kann durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen eine gesicherte stabile dynamische Vorsteuerung VS bereitgestellt werden, auch bei Regelstrecken mit positiven Null- bzw. Polstellen. Desweiteren ermöglichen die beschriebenen Maßnahmen eine einfache, transparente und zielgerichtete Applikation der dynamischen Vorsteuerung. Außerdem kann der beschriebene Regler für ein substantiell reduziertes Totzeitverhalten der Regelstrecke ausgelegt werden. Damit ergeben sich eine Erhöhung der Stabilitätsreserve sowie eine Verringerung von Überschwingen bei notwendiger dynamischer Auslegung der Regelung. Die beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine Totzeitkompensation ohne aufwendige Prädiktionsmethoden (z. B. ohne eine Vorausberechnung des Streckenverhaltens). Außerdem erlauben es die beschriebenen Maßnahmen ein vereinfachtes Streckenmodell (insbesondere in der Vorsteuerung) zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs (FZG), wobei die Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) umfasst, – eine Vorgabeeinheit (FAS), die eingerichtet ist, eine Fahraufgabe (FA) bzgl. der Querführung des Fahrzeugs (FZG) vorzugeben und die Fahraufgabe (FA) um eine Totzeit (d) vorzuverlegen, um eine zeitlich vorverlegte Fahraufgabe (FA(t + d)) zu ermitteln; – einen Trajektorienplaner (TPL), der eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der zeitlich vorverlegten Fahraufgabe (FA(t + d)), ein oder mehrere Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) für eine Trajektorie (τ) des Fahrzeugs (FZG) zu ermitteln; – einen Regler (BFR, FFR), der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) für die Trajektorie (τ) des Fahrzeugs (FZG), eine Lenkvorgabe (M_M) für eine Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG) als Reglerausgangsgröße zu bestimmen; wobei die Totzeit (d) von einer zeitlichen Verzögerung bei der Umsetzung der Lenkvorgabe (M_M) durch die Hilfskraftlenkung (EPS) abhängt.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 1, wobei – der Trajektorienplaner (TPL) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der um die Totzeit (d) zeitlich vorverlegten Fahraufgabe (FA(t + d)) ein oder mehrere zeitlich vorverlegte Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) für eine zeitlich vorverlegte Trajektorie (τ(t + d)) des Fahrzeugs (FZG) zu ermitteln; – der Regler (BFR, FFR) eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)), die Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG) zu bestimmen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 2, wobei – der Regler (BFR, FFR) eine Vorsteuerung (VS) umfasst, die eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Sol-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) entsprechende ein oder mehrere zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Trajektorien-Größen (κ_ff(t + d)) zu ermitteln; – die Vorsteuerung (VS) ein Modell bzgl. des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs (FZG) umfasst; – die ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen (κ_ff(t + d)) in einem idealisierten Fall ein oder mehreren vorn Fahrzeug (FZG) realisierten Ist-Trajektorien-Größen (κ_r(t), ψ_rm(t), y_r(t)) entsprechen; und – die Lenkvorgabe (M_M) von den ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen (κ_ff(t + d)) abhängt.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 3, wobei – der Regler (BFR, FFR) einen Trajektorien-Folge-Regler (TFR) umfasst, der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) und auf Basis von ein oder mehreren Ist-Trajektorien-Größen (κ_r, ψ_rm, y_r) einen Regelfehler (κ_tc) zu ermitteln; und – die Lenkvorgabe (M_M) von den um den Regelfehler (κ_tc) korrigierten ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen (κ_ff(t + d)) abhängt.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 4, wobei – der Regler (BFR, FFR) eine Totzeitberücksichtigungseinheit (TZ^–1) umfasst, die eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) und auf Basis der Totzeit (d), ein oder mehrere zeitlich kohärente Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t), ψ_ref(t), y_ref(t)) zu ermitteln; und – der Trajektorien-Folge-Regler (TFR) eingerichtet ist, den Regelfehler (κ_tc) auf Basis der ein oder mehreren zeitlich kohärenten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t), ψ_ref(t), y_ref(t)) zu ermitteln.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 5, wobei der Trajektorien-Folge-Regler (TFR) eingerichtet ist, – für jede der ein oder mehreren Trajektorien-Größen, eine Differenz aus der jeweiligen zeitlich kohärenten Soll-Trajektorien-Größe (κ_ref(t), ψ_ref(t), y_ref(t)) und der jeweiligen Ist-Trajektorien-Größe (κ_ref(t), ψ_ref(t), y_ref(t)) zu ermitteln; und – den Regelfehler (κ_tc) als gewichtete Summe aus den ermittelten ein oder mehreren Differenzen zu bestimmen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei – die ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) eine zeitlich vorverlegte Soll-Krümmung (κ_ref(t + d)) umfassen; – die ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Trajektorien-Größen (κ_ff(t + d)) eine zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Krümmung (κ_ff(t + d)) umfassen; – die Vorsteuerung (VS) ein vereinfachtes Modell bzgl. des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs (FZG) umfasst, welches es der Vorsteuerung (VS) ermöglicht, aus der zeitlich vorverlegten Soll-Krümmung (κ_ref(t + d)) die zeitlich vorverlegte Vorsteuer-Krümmung (κ_ff(t + d)) zu bestimmen; – der Trajektorien-Folge-Regler (TFR) eingerichtet ist, auf Basis von mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) und auf Basis von entsprechenden mehreren Ist-Trajektorien-Größen (κ_r(t), ψ_rm(t), y_r(t)) einen Krümmungs-Regelfehler (κ_tc) zu ermitteln; und – die Lenkvorgabe (M_M) von der um den Krümmungs-Regelfehler (κ_tc) korrigierten zeitlich vorverlegten Vorsteuer-Krümmung (κ_ref(t + d)) abhängt.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 7, wobei – das vereinfachte Modell ein PDT2 Modell umfasst; und – die Vorsteuerung (VS) eingerichtet ist, ein dem PDT2 Modell entsprechendes dynamisches Verhalten des Fahrzeugs (FZG) näherungsweise zu kompensieren.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einer der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Totzeit (d) bei der Vorsteuerung (VS) unberücksichtigt bleibt.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Regler (BFR, FFR) umfasst, – einen Bahnführungsregler (BFR), der eingerichtet ist, auf Basis der ein oder mehreren zeitlich vorverlegten Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref(t + d), ψ_ref(t + d), y_ref(t + d)) eine zeitlich vorgelegte Krümmungsvorgabe (κ_d(t + d)) oder Lenkwinkelvorgabe (δ_d(t + d)) als Reglerausgangsgröße für einen nachgelagerten Fahrzeugführungsregler (FFR) zu bestimmen; und – den Fahrzeugführungsregler (FFR), der eingerichtet ist, anhand der zeitlich vorgelegten Krümmungsvorgabe (κ_d(t + d)) bzw. Lenkwinkelvorgabe (κ_d(t + d)) die Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG) als Reglerausgangsgröße zu bestimmen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorgabeeinheit (FAS) eingerichtet ist, – auf Basis von Umfelddaten des Fahrzeugs (FZG) eine um die Totzeit (d) zeitlich vorverlegte Fahraufgabe (FA(t + d)) zu ermitteln; und/oder – eine Zieltrajektorie für das Fahrzeug (FZG) gemäß der Totzeit (d) zu verändern, um die zeitlich vorverlegte Fahraufgabe (FA(t + d)) zu ermitteln.
Fahrzeug (FZG) umfassend – eine Hilfskraftlenkung (EPS); und – eine Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) zur Regelung der Querführung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) eingerichtet ist, eine Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) zu erzeugen.
Verfahren zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs (FZG), wobei das Verfahren umfasst, – Ermitteln einer Fahraufgabe (FA) bzgl. der Querführung des Fahrzeugs (FZG); – Vorverlegen der Fahraufgabe (FA) um eine Totzeit (d); – Ermitteln von ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) für eine Trajektorie (τ) des Fahrzeugs (FZG), in Abhängigkeit von der um die Totzeit (d) vorverlegten Fahraufgabe (FA(t + d)); – Bestimmen einer Lenkvorgabe (M_M) für eine Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG) auf Basis der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) für die Trajektorie (τ) des Fahrzeugs (FZG); wobei die Totzeit (d) von einer zeitlichen Verzögerung bei der Umsetzung der Lenkvorgabe (M_M) durch die Hilfskraftlenkung (EPS) abhängt.